3430005_eletrotecncia - Maquinas Eletricas - Geradores de Energia 01 e 08-08-2012

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Mquinas Eltricas e Comando e Proteo

Professor : LINDOLFO MARRA DE CASTRO NETO

01 e 08 /08/2012


Processo de GTD


Gerao de Energia EltricaEnergia a capacidade de realizar trabalho.


Gerao de Energia EltricaConverso de Fontes



A produo de energia eltrica caracterizada por processos do tipo:

- eletromecnico;- fotovoltaico;- qumico.



Processos Eletromecnicos:Hidreltricas

Termoeltricas

Elicas

Nucleares

Ondas


- Geradores fotovolticos;

Tipo de gerador que converte energia luminosa do Sol em eltrica:

Uma clula solar, feita de silcio poly-cristalino

Painel solar

Processos fotovoltico:


Tipo de gerador que converte energia qumica em eltrica:

- Gerador de clula combustvel ou clula combustvel;

- pilhas;

Processos Qumico:


-Geradores eletrostticos como a mquina de Wimshurst;

Outros tipos de geradores

- Geradores de Van de Graaff: so principalmente utilizados em trabalhos especializados que exigem Tenses muito altas, mas com uma baixa corrente e potncias no muito elevadas;


Geradores

Tipos de geradores que convertem energia mecnica em eltrica:- Gerador Sncrono;

- Gerador Assncrono ou gerador de induo;

- Gerador de corrente contnua;


Geradores

Turbina Francis da Voith (azul) acoplada a gerador Westinghouse de 117,6 kW

(vermelho)

Gerador um dispositivo utilizado para a converso da energia mecnica, qumica ou outra forma de energia em energia eltrica.


O tipo mais comum de gerador eltrico, o dnamo (gerador de corrente continua) de uma bicicleta; O dnamo funciona convertendo a energia mecnica contida na rotao do eixo do mesmo que faz com que a intensidade de um campo magntico produzido por um m permanente que atravessa um conjunto de enrolamentos varie no tempo, o que pela Lei de Faraday leva a induo de tenses nos terminais dos mesmos

A energia mecnica (muitas vezes proveniente de uma turbina hidrulica, gs ou a vapor) utilizada para fazer girar o rotor, o qual induz uma tenso nos terminais dos enrolamentos que ao serem conectados a cargas levam a circulao de correntes eltricas pelos enrolamentos e pela carga.

Gerado Sncrono


No caso de um gerador que fornece uma corrente contnua, um interruptor mecnico ou anel comutador alterna o sentido da corrente de forma que a mesma permanea unidirecional independente do sentidoda posio da fora eletromotriz induzida pelo campo. Os grandes geradores das usinas geradoras de energia eltrica fornecem corrente alternada e utilizam turbinas hidrulicas e Geradores Sncronos.

Gerador Sncrono de usina hidreltrica sob manuteno

Gerado Sncrono


Gerador Sncrono converter energia mecnica em eltrica quando operada como gerador; e converter energia eltrica em mecnicaquando operada como motor.

Gerado Sncrono

Geradores sncronos so utilizados em todas as usinas hidreltricas e termeltricas.

Gerador Sncrono converter energia eltrica em mecnica quando operada como motor.

O nome Sncrono se deve ao fato de esta mquina operar com uma velocidade de rotao constante sincronizada com a freqncia da tenso eltrica alternada aplicada nos terminais da mesma.


Partes do gerador

1 - Disco de Acoplamento2 - Bucha de acoplamento3 - Flange4 - Ventilador5 - Rotor Principal6 - Rotor da Excitatriz7 - Caixa de Ligao8 - Carcaa9 - Tampa da caixa de ligao10 - Estator da Excitatriz11- Tampa Traseira12 - Veneziana


Partes do gerador


- Rotor (campo) : parte mvel constitudo de um material ferromagntico envolto em um enrolamento chamado de enrolamento de campo, que tem como funo de produzir um campo magntico constante assim como no caso do gerador de corrente contnuapara interagir com o campo produzido pelo enrolamento do estator.

Gerado SncronoPartes constituintes do Gerador Sncrono


A tenso aplicada contnua e a intensidade da corrente e suportada por esse no enrolamento de campo muito menor que o enrolamento do estator, alm disso o rotor pode conter dois ou mais enrolamentos, sempre em nmero par e todos conectados em srie sendo que cada enrolamento serresponsvel pela produo de um dos plos do eletrom. Exemplo, um gerador de grande porte no qual circulam 18kV e 6556A no estator contra 350V e 1464A no rotor.

Gerado SncronoPartes constituintes do Gerador Sncrono


Gerado Sncrono


Gerado Sncrono

- Estator (armadura): Parte fixa da mquina, montada em volta do rotorde forma que o mesmo possa girar em seu interior, tambm constitudo de um material ferromagntico envolto em um conjunto de enrolamentos distribudos ao longo de sua circunferncia. Os enrolamentos do estator so alimentados por um sistema de tenses alternadas trifsicas.


Gerado Sncrono

- Estator (armadura): Parte fixa da mquina, montada em volta do rotorde forma que o mesmo possa girar em seu interior, tambm constitudode um material ferromagntico envolto em um conjunto de enrolamentos distribudos ao longo de sua circunferncia. Os enrolamentos do estator so alimentados por um sistema de tenses alternadas trifsicas.


Gerado Sncrono

Aplica-se mquina (gerador) um torque (energia mecnica) atravs da rotao do eixo do gerador. A fonte de energia mecnica pode ser, por exemplo, uma turbina hidrulica, a gs ou a vapor. Uma vez estando o gerador ligado rede eltrica, sua rotao ditada pela freqncia da rede, pois a freqncia da tenso trifsica depende diretamente da velocidade da mquina.

Principio de funcionamento


Gerado Sncrono

Aplica-se mquina (gerador) um torque (energia mecnica) atravs da rotao do eixo do gerador. A fonte de energia mecnica pode ser, por exemplo, uma turbina hidrulica, a gs ou a vapor. Uma vez estando o gerador ligado rede eltrica, sua rotao ditada pela freqncia da rede, pois a freqncia da tenso trifsica depende diretamente da velocidade da mquina.

Principio de funcionamento

Sendo nz rotao da mquina em rpm e f a frequencia em ciclos por segundo (Hz) teremos:

f = p.n120


T0 T1 T2 T3 T4

T5 T6 T7 T8 T9

T10 T11 T12 = = T0


Gerado SncronoPara que a mquina sncrona seja capaz de efetivamente converter energia mecnica aplicada a seu eixo, necessrio que o enrolamento de campo localizado no rotor da mquina seja alimentado por uma fonte de tenso continua de forma que ao girar o campo magntico gerado pelos plos do rotor tenham um movimento relativo aos condutores dos enrolamentos do estator.


Gerado SncronoDevido a esse movimento relativo entre o campo magntico dos plos do rotor, a intensidade do campo magntico que atravessa os enrolamentos do estator ir variar no tempo, e assim teremos pela lei de Faraday uma induo de tenses nos terminais dos enrolamentos do estator. Devido a distribuio e disposio espacial do conjunto de enrolamentos do estator, as tenses induzidas em seus terminais sero alternadas senoidais trifsicas.


2550

75

100125

150175

200

30o 60o 90o 120o 150o 180o

-200-175

-150

-125

-100

-75-50

-25

210o 240o 270o 300o 330o 360o0

V

Tenso gerada CC

2550

75

100125

150175

200

30o 60o 90o 120o 150o 180o

-200-175

-150

-125

-100

-75-50

-25

210o 240o 270o 300o 330o 360o0

V


Tenso gerada CA/CC

A captao da energia elctrica gerada pode ser feita atravs duas superfcies condutoras em forma de anel -anis colectores, uma para cada terminal da espira. Dado o movimento de rotao destes anis, necessrio que existam dois mecanismos de contacto elctrico para ligar este sistema com o exterior. Este contacto feito atravs de escovas condutoras que fazem o contacto elctrico com os anis colectores:


Tenso gerada CA/CC

A f.e.m. gerada, naturalmente, por rotao de uma espira dentro de um Campo Magntico ou por rotao de um magneto em relao a uma espira, tem uma forma sinusoidal. No entanto, podemos tornar essa f.e.m unidireccional se invertermos os terminais do condutor sempre que a f.e.m. inverte o seu sinal:

Isto , se a f.e.m. gerada na espira for captada por duas escovas condutoras, cada uma delas em contacto com um segmento (semi-anel) de colector, a corrente ter sempre o mesmo sentido, embora o seu valor no seja constante. Isto , conseguimos converter uma corrente bidireccional numa corrente unidireccional:


Fase AFase A

Fase BFase B

Fase CFase C

Gerao de Energia TrifsicaGerao de Energia Trifsica

AA

CC

BB

NeutroNeutro

GeradorGerador


Forma de onda

0 o

30o

60o90o

120o

150o

180o

210o

240o270o

300o

330o

360oouVab Vbc Vca

Van VcnVbn


A corrente eltrica utilizada para alimentar o campo denominada corrente de excitao. Quando o gerador est funcionando isoladamente de um sistema eltrico (ou seja, est em uma ilha de potncia), a excitao do campo ir controlar a tenso eltrica gerada. Quando o gerador est conectado a um sistema eltrico que possui diversos geradores interligados, a excitao do campo ir controlar a potncia reativa gerada.


Trs mtodos de excitao

Excitao separada, (alimentao atravs de anis no rtor) Excitatriz (gerador DC) Colocada no mesmo veio da mquina sncrona O comutador alimenta os anis da mq. Sncrona Excitatriz sem escovas (brushless) Alternador de indutor fixo (esttor) e induzido mvel (rtor,trifsico) Rectificao por dodos ou tirstores que produz correntecontnua para o indutor da mquina sncrona


Excitao do Campo de GeradorExcitao Esttica

Excitatriz Eletrnica retifica e controla a corrente que alimenta o campo;Anis com escovas conduz a corrente que alimenta o campo;Armadura enrolamento do estator;

Campo enrolamento do rotor;

AVR Automatic VoltageRegulator

Anl comutador responsvel pela inverso do sentido da corrente na armadura;


Fase AFase A

Fase BFase B

Fase CFase C

Gerao de Energia TrifsicaGerao de Energia Trifsica

AA

CC

BB

NeutroNeutro

GeradorGerador


Quando a roda polar (indutor) gira, os condutores do induzido (esttor) ficam sujeitos a um campo magntico alternado que tem uma frequncia;

A f.e.m. induzida proporcional ao fluxo til por plo. Isto :Para 1 alternador com p pares de plos, Z condutores activos por fase, que roda a n rotaes por segundo,com um fluxo por plo, a f.e.m. E gerada por fase ser:

E = k.Z.p.n.

Onde k coeficiente de Kapp 2.2

FEM Induzida = EFEM Induzida = E


FEM Induzida = EFEM Induzida = E

Traduz vrios factores que influenciam a f.e.m. induzida nos condutores Forma do rtor; Entreferro; Disposio dos condutores no esttor (enrolamentos concentrados vs distribudos)

Coeficiente de Kapp 2.2


Gerador de Tenso

Uma fonte de tenso ou gerador de tenso qualquer dispositivo ou sistema que gere uma fora eletromotiva entre seus terminais ou derive uma tenso secundria de uma fonte primria de fora eletromotiva..


Gerador de Tenso

Considera-se que um gerador de tenso ideal aquele que gera tenso sempre constante, independentemente da corrente por ele fornecida ao circuito. Nesse caso, a impedncia interna do gerador nula.

Entretanto, para um gerador de tenso real, h desvios das caracersticas ideais, uma vez que os elementos que o formam apresentam diversos tipos de perdas, sendo a mais importante a perda por efeito Joule. O gerador de tenso real pode ser modelado associando-se a perda por efeito Joule a uma resistncia interna Riem srie com o gerador ideal E. Se nenhuma carga ligada ao gerador, no h queda de tenso na resistncia interna, pois no hcorrente eltrica, sendo a perda nula:


Gerador de TensoConsidera-se que um gerador de tenso ideal aquele que gera tenso sempre constante, independentemente da corrente por ele fornecida ao circuito. Nesse caso, a impedncia interna do gerador nula.

Entretanto, para um gerador de tenso real, h desvios das caracersticas ideais, uma vez que os elementos que o formam apresentam diversos tipos de perdas, sendo a mais importante a perda por efeito Joule. O gerador de tenso real pode ser modelado associando-se a perda por efeito Joule a uma resistncia interna Riem srie com o gerador ideal E. Se nenhuma carga ligada ao gerador, no h queda de tenso na resistncia interna, pois no hcorrente eltrica, sendo a perda nula:


Gerador de Tenso

Se uma carga qualquer RL ligada sada do gerador, o mesmo fornecer uma corrente eltrica IS carga, fazendo com que haja uma queda de tenso na resistncia interna:

Dessa forma, a tenso de sada ser menor que a tenso E:

A equao caracterstica de um gerador de tenso real pode ser obtida aplicando-se a Segunda Lei de Kirchhoff na malha formada pelo gerador ideal E, pela resistncia interna RI e pela carga RL:


Gerador de TensoNesse caso, quanto menor a ressistncia interna do gerador, menor a perda e, portanto, melhor o rendimento do gerador.

A potncia eltrica fornecida ao circuito PE dada por:

A potncia motriz do gerador PM no necessariamente eltrica, j que o gerador poderia ter outra natureza, como qumica, eletromecnica, solar, etc. Tal potncia dada por:

A potncia dissipada pelo gerador PJ proveniente da perda por efeito Joule e dada por: PJ = RI * IS


Gerador de Tenso

Assim, tem-se que:

O rendimento n de um gerador a relao entre a potncia eltrica de sada e a potncia motriz efetivamente fornecida carga:

PM =PE + PJ


Rendimento Mecnico do Alternador

Rendimento do Alternador definido em termos percentuais pela relao entre a potncia eltrica por ele fornecida aos consumidores e a potncia mecnica absorvida do motor acionador.

)(

)(

MecnicokW

EltricokW

PP

= Rendimento do Alternador sempre menor que 1.


(%)

)(kVAP

Rendimento Mecnico do Alternador


A potncia til igual potncia absorvida menos as perdas. O rendimento definido como a potncia til Pu a dividir pela potncia absorvida Pa:

= PuPa

Rendimento x Perdas do Alternador



As perdas podero ser as seguintes:

Perdas EltricasPerdas por Efeito de Joule nos enrolamentos - os condutores das bobinas tm uma resistncia no nula, logo, a passagem de corrente vai provocar perdas calorficas.

Para diminuir as Perdas por Efeito de Joule deve-se:Escolher materiais de baixas resistividades; Limitar o comprimento dos condutores; Aumentar a seco dos condutores; Limitar a intensidade da corrente




Perdas MagnticasPerdas inerentes ao meio ferromagntico - perdas por Correntes de Foucault, perdas por histerese, perdas por fluxo de fugas,

Para diminuir as Perdas Magnticas deve-se:Escolher materiais com boas caractersticas ferromagnticas; Escolher materiais com elevada resistividade (ferro com 3% de silcio); Laminar os ncleos ferromagnticos (lminas finas e isoladas entre si)




Perdas MecnicasPerdas por Atrito - perdas por atrito nos apoios e rolamentos.Perdas por Arrastamento - as peas mveis em rotao provocam um arrastamento do meio envolvente (ar), produzindo um binrio resistente.

Para diminuir as Perdas por atrito deve-se:Boa manuteno - rolamentos e lubrificao


Potncia do alternador


Potncia do alternador

kVAkVAr

kW

222 kVArkWkVA +=

kVAkW

=cos

Potncia Aparente Potncia Ativa Potncia Reativa

V e I de linha

cos3)( VIP KW = cos...3)( IVP KW =

V e I de Fase


Expresso Matemtica Potncia Aparente formada por uma componente ativa (Pa) e uma reativa

(Pr).

Pa que produz trabalho Pr no produz trabalho

)VAR()W()VA( 22 ra PPS +=

Pr utilizada para criar e manter o fluxo magntico dentro das mquinas, por exemplo: motores, geradores, transformadores, etc...

Ex: Um resistor (Chuveiro, ferro eltrico, etc...) uma carga que absorve somente Pa, ou seja, Pr = 0.


)VAR()0()W()VA( 22 += aPS

)W()VA( 2aPS =)W()VA( aPS =

Ex: Um motor (resistor e indutor) uma carga que absorve Pa (resistor) e Pr (indutor(bobina)).



Caractersticas NominaisAs caractersticas nominais de uma mquina eltrica representam valores de determinadas grandezas para os quais a mquina foi concebida para trabalhar. Dentro dos mais usuais podem destacar-se:

Tenso NominalValor de tenso que se sups existir entre os terminais de uma dada mquina (projeto); Corrente NominalCorrente que percorre a mquina, cuja existncia prevista no projeto eque pode ser suportada sem problemas.

Velocidade NominalVelocidade alcanada quando a mquina percorrida pela correntenominal.


Caractersticas NominaisAs caractersticas nominais de uma mquina eltrica representam valores de determinadas grandezas para os quais a mquina foi concebida para trabalhar. Dentro dos mais usuais podem destacar-se:

CargaEm Vazio - quando a potncia til (eltrica ou mecnica) nulaPlena Carga - quando a potncia til a nominal

BinrioMotor - binrio desenvolvido pela mquina (rotativa) Resistente -binrio que a carga impe mquina (rotativa)Nota: Se os dois binrios no forem iguais, aparece uma aceleraoangular proporcional.


Tenso do alternadorGerador de 12 terminais gera tenses em

220/127 380/220 440/254


Tenso do alternador 1

4

7

10

2

5

8

11

3

6

9

12

ABC



220/127 380/220 440/254



4

7

10

2

5

8

11

3

6

9

12

ABC



220/127 380/220 440/254



4

7

10

2

5

8

11

3

6

9

12

ABC



220/127 380/220 440/254


Tenso do alternador 440V 1

4

7

10

2

5

8

11

3

6

9

12

ABC


Tenso do alternador 220V

1

4

7

10

2

5

8

11

3

6

9

12

ABC

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